JP2009118736A - 電気回路の消散型クランプを行うための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スイッチングレギュレータ型電源の消散型クランプにおける入力電圧VIN127の許容可能範囲の制限を無くす。
【解決手段】エネルギ伝達エレメントにおける電源入力を切り替える電源入力の切り替え、エネルギ伝達エレメントにおける電源入力の切り替えにより電源出力のレギュレーションを行う電源出力のレギュレーション、エネルギ伝達エレメントにおける電圧をクランプ電圧にクランプする電圧のクランプ、電源入力に応じてクランプ電圧を変更するクランプ電圧の変更を含む。消散型クランプ回路と電気回路の出力の間には誘導性エレメントが結合される。誘導性エレメントにそれと直列にスイッチが結合される。消散型クランプ回路は、誘導性エレメントの両端間のクランプ電圧を与えるように結合される。クランプ電圧が消散型クランプ回路により電気回路の入力の状態に応じて与えられ、消散型クランプ回路は、スイッチの両端間の電圧をスイッチの電圧リミットより低く維持するべく結合されている。
【選択図】図4
【解決手段】エネルギ伝達エレメントにおける電源入力を切り替える電源入力の切り替え、エネルギ伝達エレメントにおける電源入力の切り替えにより電源出力のレギュレーションを行う電源出力のレギュレーション、エネルギ伝達エレメントにおける電圧をクランプ電圧にクランプする電圧のクランプ、電源入力に応じてクランプ電圧を変更するクランプ電圧の変更を含む。消散型クランプ回路と電気回路の出力の間には誘導性エレメントが結合される。誘導性エレメントにそれと直列にスイッチが結合される。消散型クランプ回路は、誘導性エレメントの両端間のクランプ電圧を与えるように結合される。クランプ電圧が消散型クランプ回路により電気回路の入力の状態に応じて与えられ、消散型クランプ回路は、スイッチの両端間の電圧をスイッチの電圧リミットより低く維持するべく結合されている。
【選択図】図4
Description
本発明は、電気回路に関し、より詳細を述べれば、本発明は電気回路のクランプに関する。
電子デバイスは動作するのに電力を使用する。スイッチ・モード電源は、高い効率ならびに良好な出力のレギュレーションが得られることから、今日の電子デバイスの多くにおいて電力の供給に広く使用されている。周知のスイッチ・モード電源においては、低周波(たとえば50または60Hzの主周波数)、高電圧交流(AC)が、スイッチ・モード電源制御回路を使用して高周波(たとえば30〜300kHz)ACに変換される。この高周波、高電圧ACがトランスに印加されて、通常は、より低い電圧に変換され、また安全に分離される。トランスの出力が整流されてレギュレーション後の直流(DC)を出力を得る。それを使用して電子デバイスに電力を供給する。スイッチ・モード電源制御回路は、通常、出力を検出し、かつそれを閉ループで制御することによって、出力レギュレーションを行っている。
説明のため、周知のフォワード電力コンバータ101の回路を図1に示す。スイッチQ1 103は、制御器105に応答してオン・オフして、レギュレーション前のDC入力電圧VIN127からレギュレーション後のDC出力電圧VOUT129を得る。一例では、制御器105とスイッチQ1 103がスイッチング・レギュレータ内に含められており、それを使用して出力電圧VOUT129のレギュレーションを行う。このトポロジはよく知られており、その動作についての文献もそろっている。
あらゆるフォワード・コンバータは、スイッチQ1 103がオフの間にトランス109の一次巻き線107の電圧を設定する手段を有していなければならない。よく用いられる方法は、この電圧の設定に、一次巻き線107の両端に接続されるクランプ回路111を使用する。図1に示した周知のクランプ回路111は、抵抗113、キャパシタ115、ダイオード117を含み、トランス109からの寄生エネルギの吸収ならびに消散を行い、それが負荷119に引き渡されることがないようにするととも、入力121に戻ることもないようにしている。ダイオード117を通りクランプ回路111に入るエネルギと、113において消散されるエネルギのバランスがクランプ電圧VCLAMP123を決定する。トランス109の飽和を防止するためにそれが必要である。
図2は、DC入力電圧VIN127およびクランプ電圧VCLAMP123に対してスイッチQ1 103上の電圧VSWITCH125がどのように関係するかを理想化して示した波形である。クランプ電圧VCLAMP123は、トランス109の飽和を防止できる充分に高い電圧でなければならないが、同時に電圧VSWITCH125をスイッチQ1 103の降伏電圧より低く維持できるように充分に低い電圧でなければならない。
図3は、周知の電源におけるVCLAMP123とVIN127の関係を示している。入力電圧VIN127が変化するとき、クランプ電圧VCLAMP123は、図3に示される2つの境界の間に収まらなければならない。最大電圧境界は、スイッチQ1 103の降伏電圧によって決定される直線になる。最小電圧境界は、トランス109を飽和させずに維持するために必要な電圧によって決定される曲線である。
図3は、図1のクランプ回路111によって示されるようなRCD回路を伴うときのクランプ電圧VCLAMP123の振る舞いを示している。電力コンバータ101が連続伝導モードで動作するとき、クランプ電圧VCLAMP123は、与えられた負荷におけるVIN127の変化に応じて実質的に一定の値にとどまる。トランス109内の漏れインダクタンスの存在は、負荷119に伴ってクランプ電圧VCLAMP123が変化する。それは電流が大きいほど高く、電流が小さいほど低くなる。その結果、図3のシェーディングを施した領域として示されるように、許容可能入力電圧VIN127の範囲が制限される。
消散型クランプ方法および装置が開示されている。本発明の一側面は、エネルギ伝達エレメント上における電源入力を切り替える電源入力の切り替え、エネルギ伝達エレメント上における電源入力の切り替えにより電源出力のレギュレーションを行う電源出力のレギュレーション、エネルギ伝達エレメント上における電圧をクランプ電圧にクランプする電圧のクランプ、および電源入力に応じてクランプ電圧を変更するクランプ電圧の変更を含む方法である。このほかの本発明の特徴ならびに利点については、以下に示す詳細な説明、図面および特許請求の範囲から明らかなものとなろう。
本発明については、例示を目的として図面に基づいて詳細に説明しているが、これは添付図面に本発明が限定されることを意味したものではない。
電源レギュレータ等の電気回路の消散型クランプを行うための方法および装置の実施形態を開示する。以下の説明においては、本発明を完全に理解させるために多くの具体的な詳細が示されている。しかしながら、当業者であれば、これらの具体的な詳細を必ずしも用いなくても本発明が実施可能であることを認識されよう。なお、周知の材料ないし方法については、本発明の不明瞭化を防止するために説明が省略されている。
本明細書を通じて使用されている「一実施形態」もしくは「1つの実施形態」という表現は、当該実施形態に関連して述べられている特定の特徴、構造あるいは特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、この明細書の随所に現れる「一実施形態において」あるいは「1つの実施形態において」という表現は
、必ずしもそのすべてが同一の実施形態を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造もしくは特性が、任意の適切な方法で組み合わされ、1ないしは複数の実施形態に用いられることもある。
、必ずしもそのすべてが同一の実施形態を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造もしくは特性が、任意の適切な方法で組み合わされ、1ないしは複数の実施形態に用いられることもある。
概略を説明するために、図4に、本発明の教示に従った、たとえば電源401等の電気回路における消散型クランプ回路411の一実施形態の一般的なエレメントを示す。ここに示されているように、入力電圧VIN427が入力421に受け取られる。クランプ回路411は、トランス409の一次巻き線407の両端間の電圧VCLAMP423をクランプするために使用される。一次巻き線407にはスイッチ403が結合されており、制御回路(図示せず)に応答して一次巻き線407をドライブする。ここで認識されようが、トランス409は誘導性エレメントであり、エネルギ伝達エレメントなどと呼ぶこともできる。クランプ・ダイオードDCLAMP437は、トランス409の一次巻き線407からクランプ回路411に入る単方向のエネルギ・パスを形成している。このエネルギは、エネルギ蓄積エレメント435に保持され、また消散エレメント433を介して失われる。一実施形態においては、消散エレメント433が、検出回路431からの信号S1 439によってプログラムされる。検出回路431は、入力電圧VIN427や、エネルギ蓄積エレメント435の電圧、基準電圧VREF 441など、検出回路431が受け取る各種の電圧からプログラミング信号S1 439を生成する。このようにして一実施形態においては、トランス409の漏れインダクタンス内に蓄積されていたエネルギが、入力電圧VIN427に応じて消散されることになる。
一実施形態においては、消散エレメント433が本発明の教示に従って適合される。そのエレメントは、図1に示したRCDクランプ回路111の抵抗113の値を変更する効果をもたらすものと見ることができる。検出回路431からのプログラミング信号S1 439による制御は、エネルギ・バランスを調整し、図5に示されるように、入力電圧の広い範囲にわたって、所望のクランプ電圧の軌跡を維持する。これにも示されているが、一実施形態においては、クランプ電圧VCLAMP423が、本発明の教示に従って入力電圧VIN427に逆比例して実質的に線形に変化する。このように一実施形態においては、クランプ電圧VCLAMP423が電源出力および/またはトランス409の漏れインダクタンスと実質的に独立して変化する。
本発明の教示によれば、クランプ電圧VCLAMP423に図示のような変化があると、入力電圧VIN427の範囲を広げることができる。本発明の各種実施形態においては、入力電圧VIN427の広い範囲にわたる動作が可能になる一方、図5に示されるように、最大と最小の境界内の高い値にクランプ電圧VCLAMP423が維持される。可変クランプ電圧VCLAMP423によって可能になった、たとえば図5に示されるような、より高い電圧は、一次巻き線407および二次巻き線443内の寄生容量の使用して、消散型クランプ回路411内において消散されるしかなかったエネルギの一部の処理を可能にする。
図6は、本発明の教示に従った消散型クランプ回路611を使用する、たとえば電源601等の電気回路の一実施形態を示した回路図である。図示の実施形態からわかるように、ダイオードD3 637がトランス609の一次巻き線607から回路611に入る単方向のエネルギ・パスを形成し、キャパシタC2 635がクランプ回路611のエネルギ蓄積エレメントとして用いられている。ツェナー・ダイオードVR1 645およびキャパシタC3 647は、安定した基準電圧VREF 641を生成する。一実施形態においては、Nチャンネルの金属酸化膜半導体(MOS)トランジスタQ2が主要な消散エレメント633になる。別の実施形態においては、NチャンネルMOSトランジスタに代えて、たとえばpチャンネルMOSトランジスタ、バイポーラ・トランジスタ等、あるいは将来的に登場する、この機能を実行し得るテクノロジが使用できることを認識されよう。一実施形態においては、電源601内の検出回路が、抵抗R1 649、R2 651
、R3 653、およびR4 655とトランジスタQ3 657の接続を含む。トランジスタQ2 633のゲートの電圧は、プログラミング信号S1 639であり、それが所望の動作特性を達成するように消散を調整する。
、R3 653、およびR4 655とトランジスタQ3 657の接続を含む。トランジスタQ2 633のゲートの電圧は、プログラミング信号S1 639であり、それが所望の動作特性を達成するように消散を調整する。
一実施形態においては、抵抗R2 651、R4 655が分圧器を構成し、それが入力621おいて受け取った入力電圧VIN627およびツェナー・ダイオードVR1 645からの基準電圧VREF641の合計を、分圧した値をトランジスタQ3 657のベースに印加する。抵抗R3 653に流れる電流は、トランジスタ657 Q3のベースと入力電圧VIN627との間の電圧差に比例する。その結果、トランジスタQ3 657のコレクタに流れる電流が、入力電圧VIN627の増加に伴って実質的に線形に減少する。トランジスタQ3 657のコレクタ電流は、抵抗R1 649を介して電圧降下をもたらし、その結果、トランジスタQ2 633のゲートにおける電圧、つまりプログラミング信号S1 639が、クランプ電圧VCLAMP623と入力電圧VIN627の重み付け合計に比例するようになる。トランジスタQ2 633のゲートにおけるゲート電圧は、消散エレメントであるトランジスタQ2 633内の電流を制御し、与えられたVIN 627に関してクランプ電圧VCLAMP 623を所望の値に調整する。
妥当な技術的近似を使用した一次解析から、電源601の回路の振る舞いが次式によって記述されることが明らかになった。
上記の式は、図5に示されるように、VCLAMP対VINのグラフが実質的に直線になることを表している。技術者においては、各種の値の抵抗R1 649、R2 651、R3
653、およびR4 655をVREF641とともに選択して、図5に示されるような所望の動作の軌跡を達成することができよう。
653、およびR4 655をVREF641とともに選択して、図5に示されるような所望の動作の軌跡を達成することができよう。
図7は、本発明の教示に従った消散型クランプ回路711を使用する、たとえば電源701等の電気回路の一実施形態を示した回路図である。図示の実施形態からわかるように、ダイオードD3 737が、トランス709の一次巻き線707から回路711に入る単方向のエネルギ・パスを形成している。ツェナー・ダイオードVR1 745は、回路の入力721の負レールに対して安定した基準電圧VREF741を生成する。一実施形態においては、バイポーラPNPトランジスタQ2 733が主要な消散エレメントになる。別の実施形態においては、バイポーラPNPトランジスタ733に代えて、たとえばPチャンネルMOSFETトランジスタ等も使用可能であることを認識されよう。抵抗R1
753は、オプションの追加消散エレメントであり、それによって、消散されるエネルギをバイポーラ・トランジスタ733と抵抗R1 753の間に分けることが可能になる。エネルギは、エネルギ蓄積エレメントのキャパシタ735によって保持され、また消散エレメントのトランジスタ733および抵抗753によって失われる。
753は、オプションの追加消散エレメントであり、それによって、消散されるエネルギをバイポーラ・トランジスタ733と抵抗R1 753の間に分けることが可能になる。エネルギは、エネルギ蓄積エレメントのキャパシタ735によって保持され、また消散エレメントのトランジスタ733および抵抗753によって失われる。
動作中においては、入力721の両端間の電圧VIN727とキャパシタ735の両端の電圧VCLAMP723の合計が、実質的に一定になる。したがって、VIN727が相対的に低いときは、VCLAMP723が相対的に高くなる。それとは逆に、VIN727が相対的に高いときは、VCLAMP723が相対的に低くなる。つまり、VCLAMP723は、入力721に受け取ったVIN727に応じたものになる。ツェナー・ダイオードVR1 745によ
って提供される基準電圧VREF741が回路入力721の負レールを基準にしていることから、図7に示したクランプ回路711の動作は、キャパシタ735の両端の電圧VCLAMP723を、図5に示した所望動作の軌跡に制限するクランプを提供することになる。別の実施形態においては、ツェナー・ダイオードVR1 745の基準電圧VREF741を、複数の、より電圧の低いツェナー・ダイオードを直列に用いても達成できることを認識されよう。
って提供される基準電圧VREF741が回路入力721の負レールを基準にしていることから、図7に示したクランプ回路711の動作は、キャパシタ735の両端の電圧VCLAMP723を、図5に示した所望動作の軌跡に制限するクランプを提供することになる。別の実施形態においては、ツェナー・ダイオードVR1 745の基準電圧VREF741を、複数の、より電圧の低いツェナー・ダイオードを直列に用いても達成できることを認識されよう。
図示の実施形態においては、トランジスタ733が、抵抗753およびダイオード745とともに電圧VIN727を検出する検出回路を構成し、それによりキャパシタ735の両端の電圧を調整し、その結果、回路が動作しているときVIN727とVCLAMP723の合計が実質的に一定に維持されることが認識される。つまり、パワー・スイッチQ1 703の両端間の電圧VSWITCH725が、本発明の教示に従ってパワー・スイッチQ1 703の電圧リミットより低く維持される。
以上の詳細な説明においては、本発明の方法ならびに装置について、それらの例として示した特定の実施形態に関連して説明を行ってきた。しかしながら、本発明の範囲ならびに精神はそれよりも広く、それから逸脱することなしにそれらに対する各種の修正および変更が可能となることは明らかであろう。したがって、この明細書ならびに図面は、限定としてではなく、例証として考慮されるべきである。
401 電源、403 スイッチ、407 一次巻き線、409 トランス、411 消散型クランプ回路、431 検出回路、433 消散エレメント、435 エネルギ蓄積エレメント。
Claims (18)
- スイッチ・モード電源であって、
前記スイッチ・モード電源の入力側にある第1巻線と、前記スイッチ・モード電源の出力側にある第2巻線とを有するトランスと、
入力を有するプログラム可能な消散型エレメントを含み、前記トランスの前記第1巻線にかかる電圧をクランプするように電気的に接続された電圧クランプと、
スイッチ電圧リミットを有し、トランスの第1巻線に直列に結合されたスイッチと、
入力電圧を検出するために前記スイッチ・モード電源の入力側にある入力に電気的に接続され、プログラム可能な消散型エレメントの入力にプログラム信号を出力するように構成された検出回路とを備え、
前記プログラム可能な消散型エレメントは、前記プログラム信号に応じて、スイッチにかかる電圧をスイッチ電圧リミットより低く維持する、スイッチ・モード電源。 - 前記検出回路は、前記電圧クランプにかかる電圧を検出するように電気的に接続されている、請求項1に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記検出回路は、基準電圧を受ける基準電圧入力をさらに含む、請求項2に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記検出回路は、前記スイッチ・モード電源の入力側にある入力で検出される前記入力電圧、前記電圧クランプにかかる電圧、および前記基準電圧から、前記プログラム信号を生成するように構成されている、、請求項3に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記基準電圧は、前記入力の負レールに対して基準にされる、請求項3に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記基準電圧は、前記入力の正レールに対して基準にされる、請求項3に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記プログラム可能な消散型エレメントは、前記プログラム信号に応じて、前記プログラム信号に関して実質的に逆に線形的に前記電圧クランプにかかる電圧を変更する、請求項1に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記電圧クランプは、前記トランスからのエネルギーがに蓄積されるように前記プログラム可能な消散型エレメントと並列に結合されたエネルギー蓄積エレメントをさらに含む、請求項1に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記検出回路は、
電気回路の正の電源レールに電気的に接続された第1の入力と、
前記電気回路の負の電源レールに電気的に接続された第2の入力と、
前記クランプ電圧を受けるように電気的に接続された第3の入力とを含む、請求項1に記載のスイッチ・モード電源。 - 前記プログラム信号は、前記電圧クランプにかかる電圧と、前記スイッチ・モード電源の入力側にある入力で受けられる前記入力電圧との重み付けされた和に比例する、請求項1に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記プログラム可能な消散型エレメントは、トランジスタを含む、請求項1に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記トランジスタは、バイポーラ・トランジスタを含む、請求項11に記載のスイッチ・モード電源。
- 前記トランジスタは、金属酸化膜半導体(MOS)トランジスタを含む、請求項11に記載のスイッチ・モード電源。
- スイッチ・モード電源におけるスイッチにかかる電圧をスイッチ電圧リミットより低く維持する方法であって、
前記スイッチ・モード電源の入力側にある入力での入力電圧を検出するステップと、
前記入力電圧に基づいて生成されたプログラム信号を用いて、電圧クランプに含まれる消散型インピーダンスをプログラムするステップとを備え、それにより、前記消散型インピーダンスのプログラムは、前記スイッチ・モード電源におけるスイッチにかかる電圧を前記スイッチ電圧リミットより低く維持する、方法。 - 前記消散型インピーダンスをプログラムするステップは、前記スイッチ・モード電源におけるトランスの第1巻線および第2巻線の寄生キャパシタンスを用いてエネルギーを処理するステップを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記消散型インピーダンスをプログラムするステップは、前記電圧クランプにかかる電圧と、前記スイッチ・モード電源の入力側にある入力で受けられる前記入力電圧との重み付けされた和に比例したプログラム信号で前記消散型インピーダンスをプログラムするステップを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記消散型インピーダンスをプログラムするステップは、前記スイッチ・モード電源の入力側にある入力で検出される前記入力電圧、前記電圧クランプにかかる電圧、および基準電圧から、前記プログラム信号を生成するステップを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記消散型インピーダンスをプログラムするステップは、前記スイッチ・モード電源の誘導性エレメントにかかる電圧を降下させるステップを含み、当該電圧降下は、前記スイッチ・モード電源の入力側にある入力で検出される前記入力電圧と、前記入力電圧の和の分圧と、基準電圧との間の相違に比例する、請求項14に記載の方法。
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